JP2004309896A

JP2004309896A - Collimator lens for optical fiber, and optical coupler

Info

Publication number: JP2004309896A
Application number: JP2003105214A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Yoshizawa; 良一吉沢; Nobuyuki Kobayashi; 伸幸小林
Original assignee: KOSHIN KOGAKU KOGYO KK; Yamaichi Electronics Co Ltd
Current assignee: KOSHIN KOGAKU KOGYO KK; Yamaichi Electronics Co Ltd
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: JP4275445B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical fiber collimator lens capable of simultaneously attaining high coupling efficiency in wavelength bands from 850nm to 1650nm of optical communication, and to provide a coupler using the lens. <P>SOLUTION: A coupler for coupling infrared light from one optical fiber 16 to the other optical fiber 17 is provided with a pair of collimator lenses 30 and 31. The collimator lens is constituted by combining two lenses, that is, a biconvex positive lens 41 and a meniscus negative lens 42 having a concave and a convex. Provided that refractive index of 850nm wavelength is expressed by N(850), refractive index of 1650nm wavelength is expressed by N(1650) and Abbe number V in an infrared area is expressed by V=[N(1650)-1]/[N(850)-N(1650)], Abbe number V1 of the 1st lens of two lenses is set to be V1>50, and as for a relation between Abbe number of the 1st lens and Abbe number V2 of the 2nd lens, V1-V2>18 is established. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバー通信用途において光ファイバー同士の光を平行にして結合させる結合器に用いられるコリメータレンズおよびコリメータ光学系に関する発明である。
【０００２】
【従来の技術】
近年光ファイバーを利用した通信において波長多重通信の導入が進んでいる。光ファイバーを用いた波長多重通信の分野においてより伝送情報量の需要の増加に対応すべく８５０ｎｍ帯、１２６０ｎｍから１６５０ｎｍの広い帯域の波長の使用が検討されている。
【０００３】
一方、光伝送システム内において波長の光合分波器、光可変減衰器、アイソレータ、利得等価器などの種々の光機能デバイスを搭載している。
【０００４】
このような光制御を行う場合には１組のレンズを用いてコリメータもしくは光結合器と呼ばれる構成にして光ファイバーの光をほぼ平行光にしてビームを広げレンズ間に光減衰または利得補正を行う多層膜干渉フィルタや光素子を配置するのが一般的である。
【０００５】
しかしながら８５０〜１６５０ｎｍという非常に広帯域の波長領域ではレンズに使用しているガラスの屈折率分散が大きくなるため、波長によりレンズの焦点距離が大きく変動することになり広い波長帯域の全域で同時に挿入損失の小さいコリメータを実現するのは困難であった。
【０００６】
顕微鏡、望遠鏡、撮像等に使用されるレンズにおいては可視光から赤外域まで広い波長帯域で色消しを実現しているレンズは既に存在する（特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら通信用の光ファイバー光のコリメーションに使用される通信用のレンズにおいてこのような広い波長領域での色消しを行うレンズは従来なかった。なぜならば光ファイバ通信用に使用するレンズは撮像系と比べ、一般に、レンズ径、長さも小さく、またレンズのＮＡや焦点距離等において大きな制限を受ける事が多く径大で複雑な構成のレンズ群をそのまま通信用のシングルモードファイバーには使用できないからである。このような事情から一般に、シングルモード光ファイバー光学系においては単レンズを用い、調芯時の簡易さから内径２．５ｍｍφ以下のジルコニアの割スリーブ（鏡胴）を用いてファイバーとレンズを調芯することが多い。またレンズを含むデバイス全体のサイズもより小さいサイズにすることが好まれる。そのため使用するレンズもより小さいサイズであることが要求される。この場合に８５０〜１６５０ｎｍにおいて使用するシングルモード光ファイバーの開口数ＮＡ値は約０．１〜０．１５程度であり、レンズ径を２．５ｍｍφとしたときに有効径が８０％程度と考えるとバックフォーカス距離は約７ｍｍ以下に制限されることになる。
【０００８】
ここで例えばガラスＰＢＨ７１（オハラ社商品名）を用いて焦点距離（ｆ）＝１ｍｍの単レンズを作成すると平行光入射時の近軸色収差はレンズが十分薄いと見なせる場合には焦点距離の波長による変動は公式よりｆ／Ｖ＝０．０２７となる（Ｖは後述する式で定義したアッベ数）。しかしながらこのような単レンズを用いて光ファイバで光結合器を組んだ場合には、シングルモード光ファイバーにおいてはこの程度の焦点ずれでも結合効率が十分低下することになる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１ー１７４３３８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は焦点距離が短くレンズ径が制約されるコリメータレンズにおいて、波長８５０ｎｍから１６５０ｎｍという広範囲の赤外領域で挿入損失の少ない光ファイバー用コリメータレンズおよび光結合器を得るものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１は、両凸面の正の第１レンズと凹凸面の負メニスカスの第２レンズとからなる前記第１レンズの一方の凸面に前記第２レンズの凹面を貼り合わせ面とした組み合わせレンズであって、
波長８５０ｎｍの屈折率をＮ（８５０）、波長１６５０ｎｍの屈折率をＮ（１６５０）とし、
赤外領域のアッベ数Ｖを
Ｖ＝［Ｎ（１６５０）ー１］／［Ｎ（８５０）ーＮ（１６５０）］
で表したときに、
前記第１レンズのアッベ数Ｖ１と前記第２レンズのアッベ数Ｖ２は
Ｖ１＞５０
Ｖ１−Ｖ２＞１８
の関係にあり、前記第１レンズの前方の焦点位置を光ファイバーの光入射又は光出射面に位置させることを特徴とする波長帯域８５０ｎｍから１６５０ｎｍに用いる光ファイバー用コリメータレンズにある。
【００１２】
さらに、前記第１レンズのアッベ数Ｖ１がＶ１＜８５、前記第２レンズのアッベ数Ｖ２がＶ２＞３０であることが好ましい。
【００１３】
さらに、前記コリメータレンズの焦点距離が０．１〜７ｍｍであることが好ましい。
【００１４】
さらに、前記第１レンズの凸面と前記第２レンズの凹面は突き合わされ光路外の周縁部のみが接着剤で接着されていることが好ましい。
【００１５】
このような構成により波長帯域８５０ｎｍから１６５０ｎｍにわたって焦点距離ずれがほぼ解消され、例えばシングルモード光ファイバーにおける挿入損失を抑えることができる。
【００１６】
本発明の第２は、筐体と、前記筐体に導入され筐体内に光出射面を配置した送光側光ファイバーと、前記筐体の他端に導入され筐体内に光入射面を配置した受光側光ファイバーと、前記筐体内の前記送光側光ファイバーと一体化された第１の鏡胴と、前記第１の鏡胴内に保持され焦点距離を前記送光側光ファイバーの光出射面に合わせ平行光を出射する前記構成の第１のコリメータレンズと、前記筐体内の前記受光側光ファイバーと一体化された第２の鏡胴と、前記第２の鏡胴内に保持され焦点距離を前記受光側光ファイバーの光入射面に合わせ前記第１のコリメータレンズの平行光を受けて前記光入射面に入射させる前記構成の第２のコリメータレンズとを具備してなる光結合器にある。
【００１７】
また、前記第１のコリメータレンズと前記第２のコリメータレンズ間に光調整素子を配置する。
【００１８】
さらに、前記構成の第３のコリメータレンズを具備し、前記光調整素子は波長選択反射板で構成され、前記第３のコリメータレンズは前記光調整素子から反射された赤外光を受光し第２の受光側光ファイバーに導入する構成とすることができる。
【００１９】
さらに、前記光結合器において、前記コリメータレンズの一部が前記鏡胴から突出して配置されていることが好ましい。
【００２０】
さらに、第１のコリメータレンズで第２のコリメータレンズを兼ねることもできる。
【００２１】
このような光結合器の構成により、光波長分散機能など光調整素子の機能を多様化して、光結合器の応用を拡大することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１の光結合器を示し、図２に本発明で実施形態に用いるコリメータレンズの構成を示す。光結合器１０は、円筒の管状筐体１１を有し、筐体の両端１２，１３内に光ファイバーを保持するホルダー１４，１５が設けられ、筐体内に導入される光ファイバーを保持する。
【００２３】
ホルダー１４，１５は円筒ででき、筐体１１の内方に筐体軸方向に突設して固定される。第１のホルダー１４は送光側光ファイバー１６を固定するもので、ホルダー中心に設けた透孔１４ａに光ファイバー１６を挿入、固着している。ホルダー１４の突出側の端面１８は送光側光ファイバー端面１６ａと一体の平滑面をなし、この面は軸方向に垂直な面に対して約８度傾いて形成される。この傾斜面により反射光が入力側に戻るのを避けることができる。このホルダー外周に、ジルコニアでできたフェルールと呼ばれる円筒の割りスリーブからなる第１鏡胴２０が嵌合される。
【００２４】
鏡胴２０の一端にダブレットの第１のコリメータレンズ３０が装着される。この鏡胴をレンズの焦点距離が送光側光ファイバー端面１６ａに合致するように調芯してホルダー１４に固定する。また、コリメータレンズの第２レンズが長く形成できるので、レンズを鏡胴から突出させることができ、調芯作業において予め鏡胴にレンズを固定しておき、鏡胴の位置を動かして調芯することもできる。この場合、調芯作業が容易になる。
【００２５】
出力光側も同一構成で対称的に配置される。ダブレットの第２コリメータレンズ３５を一端に配置した割りスリーブからなる第２鏡胴２５を筐体１１の他の端１３に固定された第２ホルダー１５外周に嵌合し、レンズの焦点距離を受光側光ファイバー１７の端面１７ａに合わせるように調芯して固定する。
【００２６】
ホルダー１５中心軸に透孔が設けられ光ファイバー１７が挿入固定され、ファイバーが筐体内に臨む端面１７ａと第２ホルダー１５反面２６とが同一平面をなし、この面が軸方向に垂直な面に対して８度傾斜して形成される。
【００２７】
第１のコリメータレンズ３０と第２のコリメータレンズ４１間には分波器や減衰器などの光調整素子３２が配置される。
【００２８】
送光側光ファイバー１６から出射した赤外光は第１のコリメータレンズ３０で平行光となり、光調整素子３２を経て第２のコリメータレンズ３１に入射する。光はこのコリメータレンズ３５で集束され、焦点距離に位置する受光側光ファイバー１７の端面１７ａに入射し、光ファイバー１７内に伝送される。
【００２９】
図２によりコリメータレンズの構成を説明する。第１のコリメータレンズ３０と第２のコリメータレンズ３５は同構成であるので、平行光ｌｐを集束して集束光ｌｆとする第２のコリメータレンズ３５について説明する。第２のコリメータレンズ３５は両凸の正の第１レンズ４１と凹凸の負メニスカスの第２レンズ４２の組合わせレンズからなるダブレットである。入射光側の第１レンズ４１の面を第１面４３とする。第１レンズの第２面と第２レンズの第１面とが同曲率で形成され突合せて貼り合わる面であり、この面を第２面４４とする。出射光側の第２レンズの凸面を第３面４５とする。第２面４４は第１レンズ４１と第２レンズ４２とが周縁でのみが接着剤で貼り合わされている。これにより接着剤が赤外光を吸収しないようにする。
【００３０】
各レンズの諸元は表１のとおりである。
【００３１】
ここに８５０〜１６５０ｎｍの近赤帯域での広義のアッベ数を以下の通り定義する。
【００３２】
波長８５０ｎｍの屈折率をＮ（８５０）、波長１６５０ｎｍの屈折率をＮ（１６５０）とし、
赤外領域のアッベ数Ｖとすると、
Ｖ＝［Ｎ（１６５０）−１］／［Ｎ（８５０）−Ｎ（１６５０）］・・・・（１）
で表される。
【００３３】
第１レンズ４１および第２レンズ４２の諸元は次の表１のとおりである。
【００３４】
【表１】

第１面から第２面まではガラス材ＦＣＤ１（ホーヤ社商品名）からなる両凸レンズであり、第２面から第３面まではガラス材ＳＦ２（ショット社商品名）からなるメニスカスレンズである。
【００３５】
ここで第１面４３と第２面４４から構成される両凸レンズのバックフォーカス距離は１６５０ｎｍにおいて１．６１２ｍｍであり、８５０ｎｍにおいて１．５８７ｍｍである。また第２面４４と第３面４５からなる凹凸レンズのバックフォーカス距離は１６５０ｎｍで５．９５６ｍｍであり８５０ｎｍで５．７７８ｍｍである。２個の合成されたレンズの焦点距離は８５０ｎｍにおいて０．８３２ｍｍ、１６５０ｎｍにおいて０．８２２ｍｍとなり焦点距離の変動は問題のない量になったことがわかる。
【００３６】
図３は本発明の第１実施例にかかるレンズの８５０ｎｍから１６５０ｎｍの間の収差を示す図である。（ａ）は縦方向（図の紙面）、（ｂ）は横方向の収差を示している。収差は実用上の目安である±０．０１ｍｍよりも十分に小さく問題のない値であることがわかる。
【００３７】
ここで第１レンズのアッベ数をＶ１、第２レンズのアッベ数をＶ２とすると、Ｖ１＞５０かつＶ１−Ｖ２＞１８
であることが必要である。
【００３８】
表２は本発明を検証する過程で行ったシミュレーション結果の一部を示す結合損失比較表である。
【００３９】
【表２】

表２のＮｏ１及びＮｏ２の実験はＶ１＜５０の場合の結合損失を表すデータである。表２のＮｏ３及びＮｏ４はＶ１＞５０かつＶ１−Ｖ２＜１８の場合の結合損失を表すデータである。表２のＮｏ５及びＮｏ６はＶ１＜Ｖ２の場合の結合損失を表すデータである。表２のＮｏ７、Ｎｏ８及びＮｏ９はＶ１＞５０かつＶ１−Ｖ２＞１８の場合の結合損失を表すデータである。一般的に通信用の光ファイバーコリメーションの結合損失は−０．３ｄＢ以上が求められている。結合損失が全ての波長において−０．３ｄＢ以上となる組合せは、Ｖ１≧Ｖ２、Ｖ１≧５０かつＶ１−Ｖ２≧１８となる条件しかないことがこの表の結果より分かる。また前記シミュレーションにおいて確認できるアッベ数の範囲が最大８５、最小３０である。よってＶ１は最大８５であることが望ましい。また、Ｖ２は最小３０であることが望ましい。
【００４０】
また、球面収差を最適化するため、第２レンズは凹凸の負メニスカスの構造が望ましい。
【００４１】
第１コリメータレンズ３０も第２コリメータレンズ３５と全く同様の構造を有している。図１に示すように、第１コリメータレンズ３０は負レンズの第３面４５側を送光側光ファイバーの出射面１６ａにその焦点距離を合わせて、第２レンズの第３面４５で入射光を受けて、第１レンズの第１面４３から平行光にコリメートして出射する。
【００４２】
第１レンズとして、ＦＣＤ−１（ホーヤ社商品名）、Ｎ−ＰＫ５２（ショット社商品名）、Ｓ−ＦＰ（オハラ社商品名）のガラス材の使用が適しており、第２レンズとして、Ｅ−ＦＤ２（ホーヤ社商品名）、ＳＦ−２（ショット社商品名）、Ｓ−ＴＩＭ２２（オハラ社商品名）のガラス材の使用が適している。
【００４３】
なお、鏡胴の材料はジルコニアばかりでなく、他のセラミックスや金属で構成することができ、筐体も金属の他、プラスチックなどの合成樹脂、セラミックスを使用することができる。筐体の形状も円筒ばかりでなく、角筒や箱形のにものなど使用状況に応じて任意のものを用いることができる。
【００４４】
図４は実施形態１の光結合器の挿入損失を測定した実験結果である。図４から挿入損失は８５０ｎｍから１６５０ｎｍにおいて−１ｄＢを超えず問題ない数値であることが示された。
【００４５】
（比較例）
図８は前記結合器と同様な構造でコリメータレンズに従来の１枚のボールレンズ（ＢＫ７（ショット社商品名）、Ｒ＝２．５、Ｖ＝４７．７）を使用した結合器の挿入損失を測定した実験結果である。図から従来のレンズでは８５０ｎｍから１６５０ｎｍでは−５ｄＢ〜−１ｄＢと損失変動が大きいことがわかる。
【００４６】
（実施形態２）
本実施形態を図５で説明する。図示のように一個のコリメータレンズ５０の光入射側に光ファイバー５１を配置し、平行なコリメートされた光側に光調整素子５２が配置されている。このコリメータレンズは図２で説明したものと同構成である。コリメータレンズ５０の第２レンズ側が光ファイバーと対向し、その焦点距離がファイバーの出射面に調芯される。光調整素子５２は特定の赤外光を選択的に反射するもので、例えば８５０ｎｍと１５５０ｎｍの２波長の赤外光が光ファイバーから出射すると、コリメータレンズ５０を経て光調整素子５２に達し、例えば８５０ｎｍの波長のみが反射される。反射光は平行のままコリメータレンズ５０に戻され、第１レンズと第２レンズにより集束されて、再び光ファイバーの出射面に入射して光ファイバー５１に逆方向に伝送される。かくして光結合器は選択フィルタとして機能する。
【００４７】
本実施形態は１個のコリメータレンズが実施形態１の２個のコリメータレンズの作用を兼ねるもので、結合器の構成を簡素にすることができる。
【００４８】
（実施形態３）
本実施形態を図６により説明する。コリメータレンズ６１、６２の構成と配置は実施形態１と同じであるが、光調整素子６３を光選択素子とした点に特徴付けられる。光選択素子６２は透明ガラス基板に多層干渉膜を積層したもので、例えば特定波長の赤外光のみを透過し、その他の波長光を反射するもので、８５０ｎｍから１６５０ｎｍに至る広い帯域の信号光のうちの特定の波長成分を分岐することができる。残りの光成分は送光側光ファイバーに逆伝送される。これによりフィルタ特性の異なる光調整素子を装着することにより、任意の波長の光を結合係数を損なわずに取り出すことが可能になる。
【００４９】
（実施形態４）
本実施形態を図７により説明する。本実施形態は送光側の第１のコリメータレンズ７０と受光側の第２および第３のコリメータレンズ７１，７２で光結合器を構成する。
【００５０】
第１のコリメータレンズ７０と第２のコリメータレンズ７１の配置を実施形態１と同じ構成にし、これらのレンズの軸方向７３に一致して配置する。コリメータレンズ７０，７１間の平行光ｌｐとなるコリメータ領域に実施形態３と同様の多層干渉膜の光調整素子７４を軸方向に垂直な面からやや傾けて配置する。光調整素子７４の傾きにより反射光が偏向される位置に第３のコリメータレンズ７２を配置する。
【００５１】
送光側光ファイバー７５から伝送され出射した光は第１のコリメータレンズ７０で平行光になり、光調整素子７４に至ると、特定の波長の赤外光が透過し、第２のコリメータレンズ７１で受光され集束されて第１の受光側光ファイバー７６に伝送される。一方、光調整素子７４で残りの波長の赤外光は平行光のままで反射されて、第３のコリメータレンズ７２に入射し集束されて第２の受光側光ファイバー７７により伝送される。各コリメータレンズは８５０ｎｍｍから１６５０ｎｍの赤外光に対応しているので、広い帯域での分岐が容易にでき、光結合器としての機能を拡大することが可能である。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、波長８５０ｎｍから１６５０ｎｍという広範囲の赤外領域で挿入損失の少ない光ファイバー用コリメータレンズおよび光結合器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる実施形態１の断面図。
【図２】実施形態１のコリメータレンズのレンズ構成を説明する図。
【図３】実施形態１のコリメータレンズの収差図。
【図４】実施形態１の波長対挿入損失の特性図。
【図５】実施形態２を説明する略図。
【図６】実施形態３を説明する略図。
【図７】実施形態４を説明する略図。
【図８】従来装置の波長対挿入損失の特性図。
【符号の説明】
１０：光結合器
１１：筐体
１４，１５：ホルダー
１６：送光側光ファイバー
１７：受光側光ファイバー
２０：第１の銅鏡
２５：第２の銅鏡
３０：第１コリメータレンズ
３１：第２コリメータレンズ
３２：光調整素子
４１：第１レンズ
４２：第２レンズ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a collimator lens and a collimator optical system used for a coupler that couples light beams of optical fibers in parallel in an optical fiber communication application.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, the introduction of wavelength multiplexing communication in communication using an optical fiber has been advanced. In the field of wavelength division multiplexing communication using optical fibers, the use of wavelengths in the 850 nm band and a wide band from 1260 nm to 1650 nm has been studied in order to cope with an increasing demand for the amount of transmitted information.
[0003]
On the other hand, various optical functional devices such as an optical multiplexer / demultiplexer, an optical variable attenuator, an isolator, and a gain equalizer having a wavelength are mounted in the optical transmission system.
[0004]
When such light control is performed, a configuration called a collimator or an optical coupler using a set of lenses is used to make the light of the optical fiber almost parallel, and the beam is spread to perform a multi-layer optical attenuation or gain correction between the lenses. Generally, a film interference filter and an optical element are arranged.
[0005]
However, in a very wide wavelength range of 850 to 1650 nm, the refractive index dispersion of the glass used for the lens becomes large, so that the focal length of the lens greatly varies depending on the wavelength, and the insertion loss is simultaneously made in the entire wide wavelength band. It has been difficult to realize a collimator having a small size.
[0006]
Among lenses used for microscopes, telescopes, imaging, and the like, there is already a lens that realizes achromatism in a wide wavelength band from visible light to infrared light (see Patent Document 1).
[0007]
However, there has been no conventional communication lens used for collimation of optical fiber light for communication that performs achromatism in such a wide wavelength range. This is because lenses used for optical fiber communication generally have smaller lens diameters and lengths than imaging systems, and are often subject to large restrictions on lens NA and focal length, etc. This cannot be used for a single mode fiber for communication as it is. Under such circumstances, in general, a single lens is used in a single mode optical fiber optical system, and a fiber and a lens are aligned using a zirconia split sleeve (lens barrel) having an inner diameter of 2.5 mmφ or less for simplicity in alignment. Often. It is also preferable that the size of the entire device including the lens is smaller. Therefore, it is required that a lens to be used has a smaller size. In this case, the numerical aperture NA value of the single mode optical fiber used at 850 to 1650 nm is about 0.1 to 0.15, and if the effective diameter is considered to be about 80% when the lens diameter is 2.5 mmφ, the back light The focus distance will be limited to about 7 mm or less.
[0008]
Here, for example, when a single lens having a focal length (f) of 1 mm is formed using glass PBH71 (trade name of OHARA), paraxial chromatic aberration upon incidence of parallel light depends on the wavelength of the focal length if the lens can be considered to be sufficiently thin. The variation is f / V = 0.027 from the formula (V is the Abbe number defined by a formula described later). However, when an optical coupler is assembled with an optical fiber using such a single lens, the coupling efficiency of a single mode optical fiber is sufficiently reduced even with such a degree of defocus.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-11-174338
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a collimator lens having a short focal length and a limited lens diameter, and a collimator lens and an optical coupler for an optical fiber having a small insertion loss in a wide infrared region of a wavelength of 850 nm to 1650 nm.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a combination in which a concave surface of the second lens is bonded to one convex surface of the first lens including a positive first lens having a biconvex surface and a second lens having a negative meniscus having an uneven surface. A lens,
The refractive index at a wavelength of 850 nm is N (850), the refractive index at a wavelength of 1650 nm is N (1650),
Let Abbe number V in the infrared region be V = [N (1650) -1] / [N (850) -N (1650)]
When represented by
The Abbe number V1 of the first lens and the Abbe number V2 of the second lens are V1> 50.
V1-V2> 18
Wherein the focal position in front of the first lens is located on the light incident or light emitting surface of the optical fiber. The collimator lens for an optical fiber used in a wavelength band of 850 nm to 1650 nm.
[0012]
Further, it is preferable that the Abbe number V1 of the first lens is V1 <85, and the Abbe number V2 of the second lens is V2> 30.
[0013]
Further, it is preferable that the focal length of the collimator lens is 0.1 to 7 mm.
[0014]
Further, it is preferable that the convex surface of the first lens and the concave surface of the second lens abut, and only a peripheral portion outside the optical path is bonded with an adhesive.
[0015]
With such a configuration, the focal length shift is substantially eliminated over a wavelength band of 850 nm to 1650 nm, and for example, insertion loss in a single mode optical fiber can be suppressed.
[0016]
In a second aspect of the present invention, a housing, a light-transmitting optical fiber that is introduced into the housing and has a light emitting surface disposed in the housing, and a light incident surface that is introduced into the other end of the housing and disposed in the housing. A light receiving side optical fiber, a first lens barrel integrated with the light transmitting side optical fiber in the housing, and a focal length held in the first lens barrel adjusted to a light emitting surface of the light transmitting side optical fiber. A first collimator lens having the above-described configuration for emitting parallel light, a second lens barrel integrated with the light receiving side optical fiber in the housing, and receiving the focal length held in the second lens barrel by the light receiving distance. An optical coupler comprising: a second collimator lens having the above-mentioned configuration, which receives parallel light of the first collimator lens in accordance with the light incident surface of the side optical fiber and makes the parallel light incident on the light incident surface.
[0017]
Further, a light adjusting element is arranged between the first collimator lens and the second collimator lens.
[0018]
Furthermore, a third collimator lens having the above configuration is provided, and the light adjusting element is formed of a wavelength-selective reflector, and the third collimator lens receives infrared light reflected from the light adjusting element and receives a second light. Of the light receiving side optical fiber.
[0019]
Further, in the optical coupler, it is preferable that a part of the collimator lens is disposed so as to protrude from the lens barrel.
[0020]
Further, the first collimator lens can also serve as the second collimator lens.
[0021]
With such a configuration of the optical coupler, the functions of the optical adjustment element such as the optical wavelength dispersion function can be diversified, and the application of the optical coupler can be expanded.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows an optical coupler according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 shows a configuration of a collimator lens used in the embodiment of the present invention. The optical coupler 10 has a cylindrical tubular housing 11, and

holders

14 and 15 for holding optical fibers are provided in both ends 12 and 13 of the housing, and hold the optical fibers to be introduced into the housing.
[0023]
The

holders

14 and 15 are made of a cylinder, and are fixed to the inside of the housing 11 by protruding in the housing axial direction. The first holder 14 fixes the light transmitting side optical fiber 16, and inserts and fixes the optical fiber 16 into a through hole 14a provided at the center of the holder. The end face 18 on the projecting side of the holder 14 forms a smooth surface integral with the end face 16a of the light transmitting side optical fiber, and this face is formed to be inclined by about 8 degrees with respect to a plane perpendicular to the axial direction. This inclined surface can prevent reflected light from returning to the input side. A first lens barrel 20 formed of a cylindrical split sleeve called a ferrule made of zirconia is fitted around the outer periphery of the holder.
[0024]
A first doublet collimator lens 30 is attached to one end of the lens barrel 20. The lens barrel is aligned and fixed to the holder 14 so that the focal length of the lens coincides with the end face 16a of the light transmitting side optical fiber. In addition, since the second lens of the collimator lens can be formed to be long, the lens can be projected from the lens barrel. In alignment operation, the lens is fixed to the lens barrel in advance, and the position of the lens barrel is moved to perform alignment. You can also. In this case, the alignment work becomes easy.
[0025]
The output light side is also arranged symmetrically with the same configuration. A second lens barrel 25 composed of a split sleeve having a doublet second collimator lens 35 disposed at one end is fitted around the outer periphery of a second holder 15 fixed to the other end 13 of the housing 11, and receives the focal length of the lens. The core is aligned and fixed so as to match the end face 17a of the side optical fiber 17.
[0026]
A through hole is provided in the central axis of the holder 15, the optical fiber 17 is inserted and fixed, the end face 17a where the fiber faces the inside of the housing and the second holder 15 opposite surface 26 are flush with each other, and this surface is perpendicular to the axial direction. At an angle of 8 degrees.
[0027]
A light adjusting element 32 such as a duplexer or an attenuator is arranged between the first collimator lens 30 and the second collimator lens 41.
[0028]
The infrared light emitted from the light transmitting side optical fiber 16 is converted into parallel light by the first collimator lens 30, and enters the second collimator lens 31 via the light adjusting element 32. The light is focused by the collimator lens 35, enters the end face 17 a of the light receiving side optical fiber 17 located at the focal length, and is transmitted into the optical fiber 17.
[0029]
The configuration of the collimator lens will be described with reference to FIG. Since the first collimator lens 30 and the second collimator lens 35 have the same configuration, the second collimator lens 35 that converges the parallel light lp into the converged light If will be described. The second collimator lens 35 is a doublet composed of a combination of a biconvex positive first lens 41 and a concave / convex negative meniscus second lens 42. The surface of the first lens 41 on the incident light side is referred to as a first surface 43. The second surface of the first lens and the first surface of the second lens are surfaces having the same curvature and are abutted and adhered to each other. The convex surface of the second lens on the emission light side is referred to as a third surface 45. The second surface 44 is formed by bonding the first lens 41 and the second lens 42 only at their peripheral edges with an adhesive. This prevents the adhesive from absorbing infrared light.
[0030]
Table 1 shows the specifications of each lens.
[0031]
Here, the Abbe number in a broad sense in the near red band of 850 to 1650 nm is defined as follows.
[0032]
The refractive index at a wavelength of 850 nm is N (850), the refractive index at a wavelength of 1650 nm is N (1650),
Assuming the Abbe number V in the infrared region,
V = [N (1650) -1] / [N (850) -N (1650)] (1)
Is represented by
[0033]
The specifications of the first lens 41 and the second lens 42 are as shown in Table 1 below.
[0034]
[Table 1]

The first to second surfaces are biconvex lenses made of a glass material FCD1 (trade name of Hoya Corporation), and the second to third surfaces are meniscus lenses made of glass material SF2 (trade name of Shot Company).
[0035]
Here, the back focus distance of the biconvex lens composed of the first surface 43 and the second surface 44 is 1.612 mm at 1650 nm and 1.587 mm at 850 nm. The back focus distance of the concave-convex lens including the second surface 44 and the third surface 45 is 5.956 mm at 1650 nm and 5.778 mm at 850 nm. The focal lengths of the two combined lenses are 0.832 mm at 850 nm and 0.822 mm at 1650 nm, indicating that there is no problem in focal length variation.
[0036]
FIG. 3 is a diagram illustrating aberrations between 850 nm and 1650 nm of the lens according to the first example of the present invention. (A) shows the aberration in the vertical direction (the plane of the drawing), and (b) shows the aberration in the horizontal direction. It can be seen that the aberration is sufficiently smaller than ± 0.01 mm, which is a practical reference, and is a value without any problem.
[0037]
Here, assuming that the Abbe number of the first lens is V1 and the Abbe number of the second lens is V2, V1> 50 and V1−V2> 18.
It is necessary to be.
[0038]
Table 2 is a coupling loss comparison table showing a part of the simulation results performed in the process of verifying the present invention.
[0039]
[Table 2]

The experiments of No. 1 and No. 2 in Table 2 are data representing the coupling loss when V1 <50. No. 3 and No. 4 in Table 2 are data representing the coupling loss when V1> 50 and V1−V2 <18. No. 5 and No. 6 in Table 2 are data representing the coupling loss when V1 <V2. No. 7, No. 8 and No. 9 in Table 2 are data representing the coupling loss when V1> 50 and V1−V2> 18. Generally, the coupling loss of optical fiber collimation for communication is required to be -0.3 dB or more. It can be seen from the results in this table that the combination in which the coupling loss is -0.3 dB or more at all wavelengths has only the conditions of V1≥V2, V1≥50 and V1-V2≥18. The range of the Abbe number that can be confirmed in the simulation is 85 at the maximum and 30 at the minimum. Therefore, it is desirable that V1 be 85 at the maximum. V2 is desirably 30 at the minimum.
[0040]
In order to optimize spherical aberration, the second lens preferably has a concave and convex negative meniscus structure.
[0041]
The first collimator lens 30 has exactly the same structure as the second collimator lens 35. As shown in FIG. 1, the first collimator lens 30 adjusts the focal length of the third surface 45 side of the negative lens to the exit surface 16a of the optical fiber on the light-transmitting side, and focuses the incident light on the third surface 45 of the second lens. Then, the light is collimated from the first surface 43 of the first lens into parallel light and emitted.
[0042]
As the first lens, a glass material of FCD-1 (trade name of Hoya Corporation), N-PK52 (trade name of Shot Company), and S-FP (trade name of Ohara Corporation) is suitable, and as the second lens, E is used. -Use of glass materials such as FD2 (trade name of Hoya Corporation), SF-2 (trade name of Shot Company), and S-TIM22 (trade name of Ohara Corporation) is suitable.
[0043]
The material of the lens barrel can be made of not only zirconia but also other ceramics or metal, and the housing can be made of synthetic resin such as plastic or ceramics in addition to metal. The shape of the housing is not limited to a cylinder, and any shape such as a square tube or a box can be used according to the usage conditions.
[0044]
FIG. 4 is an experimental result of measuring the insertion loss of the optical coupler of the first embodiment. FIG. 4 shows that the insertion loss does not exceed −1 dB from 850 nm to 1650 nm and is a value that is not a problem.
[0045]
(Comparative example)
FIG. 8 shows the insertion loss of a coupler having the same structure as the above-described coupler and using a conventional single ball lens (BK7 (trade name of Shot Corporation), R = 2.5, V = 47.7) as a collimator lens. Is the experimental result of the measurement. It can be seen from the figure that the loss of the conventional lens is large from -5 dB to -1 dB from 850 nm to 1650 nm.
[0046]
(Embodiment 2)
This embodiment will be described with reference to FIG. As shown, an optical fiber 51 is arranged on the light incident side of one collimator lens 50, and a light adjusting element 52 is arranged on the parallel collimated light side. This collimator lens has the same configuration as that described with reference to FIG. The second lens side of the collimator lens 50 faces the optical fiber, and its focal length is aligned with the exit surface of the fiber. The light adjusting element 52 selectively reflects specific infrared light. For example, when two wavelengths of infrared light of 850 nm and 1550 nm are emitted from an optical fiber, the light adjusting element 52 reaches the light adjusting element 52 via the collimator lens 50 and is, for example, 850 nm. Are reflected only. The reflected light is returned to the collimator lens 50 while being parallel, is focused by the first lens and the second lens, is again incident on the emission surface of the optical fiber, and is transmitted to the optical fiber 51 in the opposite direction. Thus, the optical coupler functions as a selection filter.
[0047]
In the present embodiment, one collimator lens also functions as the two collimator lenses of the first embodiment, and the configuration of the coupler can be simplified.
[0048]
(Embodiment 3)
This embodiment will be described with reference to FIG. The configuration and arrangement of the

collimator lenses

61 and 62 are the same as in the first embodiment, but are characterized in that the light adjustment element 63 is a light selection element. The light selection element 62 is formed by laminating a multilayer interference film on a transparent glass substrate. For example, the light selection element 62 transmits only infrared light of a specific wavelength and reflects light of other wavelengths, and emits signal light in a wide band from 850 nm to 1650 nm. Of the wavelength components can be branched. The remaining light component is transmitted back to the transmitting optical fiber. Thus, by attaching light adjusting elements having different filter characteristics, light of an arbitrary wavelength can be extracted without impairing the coupling coefficient.
[0049]
(Embodiment 4)
This embodiment will be described with reference to FIG. In the present embodiment, an optical coupler is configured by the first collimator lens 70 on the light transmission side and the second and

third collimator lenses

71 and 72 on the light reception side.
[0050]
The arrangement of the first collimator lens 70 and the second collimator lens 71 is the same as that of the first embodiment, and is arranged so as to coincide with the axial direction 73 of these lenses. A light adjusting element 74 of a multilayer interference film similar to that of the third embodiment is arranged in a collimator area where the parallel light lp between the

collimator lenses

70 and 71 is slightly inclined from a plane perpendicular to the axial direction. The third collimator lens 72 is arranged at a position where the reflected light is deflected by the inclination of the light adjusting element 74.
[0051]
The light transmitted and emitted from the light transmitting side optical fiber 75 is converted into parallel light by the first collimator lens 70, and reaches the light adjusting element 74, where infrared light of a specific wavelength is transmitted, and is transmitted by the second collimator lens 71. The light is received, focused, and transmitted to the first light receiving side optical fiber 76. On the other hand, the infrared light of the remaining wavelength is reflected by the light adjusting element 74 as parallel light, enters the third collimator lens 72, is converged, and transmitted by the second light receiving side optical fiber 77. Since each collimator lens supports infrared light of 850 nm to 1650 nm, branching in a wide band can be easily performed, and the function as an optical coupler can be expanded.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain an optical fiber collimator lens and an optical coupler having a small insertion loss in a wide infrared region of a wavelength of 850 nm to 1650 nm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment according to the invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a lens configuration of a collimator lens according to the first embodiment.
FIG. 3 is an aberration diagram of the collimator lens according to the first embodiment.
FIG. 4 is a characteristic diagram of wavelength versus insertion loss in the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a second embodiment.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a third embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a fourth embodiment.
FIG. 8 is a characteristic diagram of wavelength versus insertion loss of a conventional device.
[Explanation of symbols]
10: Optical coupler 11: Housings 14, 15: Holder 16: Transmitting optical fiber 17: Receiving optical fiber 20: First copper mirror 25: Second copper mirror 30: First collimator lens 31: Second collimator lens 32 : Light adjusting element 41: first lens 42: second lens

Claims

A combination lens having a concave surface of the second lens bonded to one convex surface of the first lens including a biconvex positive first lens and a concave and convex negative meniscus second lens,
The refractive index at a wavelength of 850 nm is N (850), the refractive index at a wavelength of 1650 nm is N (1650),
Let Abbe number V in the infrared region be V = [N (1650) -1] / [N (850) -N (1650)]
When represented by
Abbe number V1 of the first lens is V1> 50
And the Abbe number V1 of the first lens and the Abbe number V2 of the second lens are V1-V2> 18.
Wherein the focal position in front of the first lens is located at the light incident or light emitting surface of the optical fiber, wherein the collimator lens for an optical fiber is used for a wavelength band of 850 nm to 1650 nm.

2. The optical fiber collimator lens according to claim 1, wherein the Abbe number V1 of the first lens is V1 <85 and the Abbe number V2 of the second lens is V2> 30.

The optical fiber collimator lens according to claim 1, wherein the focal length of the collimator lens is 0.1 to 7 mm.

The optical fiber collimator lens according to claim 1, wherein the convex surface of the first lens and the concave surface of the second lens abut, and only a peripheral portion outside the optical path is bonded with an adhesive.

A housing, an optical fiber that is introduced at one end of the housing and has a light entrance surface disposed in the housing, a lens barrel integrated with the optical fiber in the housing, and a focal length held in the lens barrel and The collimator lens according to claim 1, wherein the light emitted from the optical fiber is collimated according to the light input / output surface of the optical fiber, and the collimator lens is arranged to face the collimator lens. A light adjusting element for reflecting and re-entering the collimator lens,
An optical coupler, wherein the collimator lens focuses the re-entered light and causes the light to enter a light input / output surface of the optical fiber.

A housing, a light-transmitting optical fiber introduced into the housing and having a light emitting surface disposed in the housing, a light-receiving optical fiber introduced into the other end of the housing and having a light incident surface disposed in the housing, A first lens barrel integrated with the light-transmitting optical fiber in the body, and parallel light is emitted from the first lens barrel by adjusting a focal length to a light-emitting surface of the light-transmitting optical fiber. A first collimator lens, a second lens barrel integrated with the light receiving side optical fiber in the housing, and a light incident surface of the light receiving side optical fiber held in the second lens barrel and having a focal length. An optical coupler comprising: the second collimator lens according to claim 1, wherein the second collimator lens receives parallel light from the first collimator lens and makes the parallel light incident on the light incident surface.

The optical coupler according to claim 6, wherein a light adjusting element is disposed between the first collimator lens and the second collimator lens.

And a third collimator lens comprising a third collimator lens according to claim 1, wherein said light adjustment element is constituted by a wavelength-selective reflector, and wherein said third collimator lens receives infrared light reflected from said light adjustment element and generates a second light. 8. The optical coupler according to claim 7, wherein the optical coupler is introduced into a light receiving side optical fiber.

9. The optical coupler according to claim 5, wherein a part of the collimator lens protrudes from the lens barrel.